Алюминий цемент өндіру және пайдалану технологиясы. Темірбай Мәди ПСК-19-1 КУРСОВАЯ. Курсты Жмыса тапсырма
 Скачать 0.61 Mb.
|
|
1.2 Байланыстырғыш заттың гидраттануы мен қатаюуы Глиноземді цемент қатайған кезде оның негізгі қосылысы моно-кальций алюминаты гидраттануға ұшырайды, осы кезде декагидрат гидроалюминат - СаО * Al2O3 * 10H2O майда пластинкалы кристалл түрінде түзіледі. Содан кейін бұл қосылыс Al2O3 * 3Н2О глинозем гидратының гелін шығарумен тұрақты екі кальцийлі гидроалюминатқа (алтыбұрышты пластина кристалдары түрінде) өтеді. Бұл процестер жалпы реакциямен көрінеді: 2(CaO * Al2O3) + 11H2O = 2CaO * Al2O3 * 8H2O + Al2O3 * 3H2O Қатаю кезінде пайда болатын физика-химиялық процестер негізінен цементтің қатаюымен жүретіндерге ұқсас. Глиноземді цемент тез қатады, бірақ тез ұсталмайды. Стандартқа сәйкес оны ұстасудың басталуы (МЕСТ 969-41) 30 минуттан ерте емес, ал соңы 12 сағаттан кеш болмауы керек. Егер глиноземді цемент 1:1 қатынасында цементпен араласса, онда қоспасы тез ұстасылады және төмен беріктігі бар өнім береді. Бұл цементтің қатаюы кезінде пайда болатын кальций тотығының гидраты алюминий цементінің қатаюы кезінде пайда болатын глинозем гидратымен немесе кальций гидроалюминатымен тез біріктіріліп, 3CaO * Al2O3 * 6H2O түзеді. Нәтижесінде реакция шеңберінен Аl(ОН)3 және Са(ОН)2 жоғалады, бұл СаО * Al2O3 және 3CaO * SiO2 гидролизінің барысын едәуір жылдамдатады. Ұстасу процесі өте жылдам және дереу жасалады, ал беріктігі төмен. Сипатталған қасиетке сүйене отырып, қажет болған жағдайда бірінші жағдайда аз мөлшерде цемент, ал екінші жағдайда алюминий цементін қосып, алюминий цементін немесе цементті ұстасуды тездетуге болады. [5] Алюминий цементін қатайту кезінде кальций алюминаттарын ылғалдандыру процестері және пайда болатын кристалл гидраттарының түрі маңызды. Гидратация процесінде бір кальцийлі алюминат СаО:Al2O3 молекулалық қатынасы бар қаныққан ерітінді түзеді, оның ішінен СаО * Al2O3 * 10Н2О құрамындағы кальций гидроалюминаты ұсақ пластина тәрізді кристалдар түрінде кристалданады. Уақыт өте келе бөлінетін қатты фаза С2АН8 пластина кристалдары мен алюминий оксиді гидратының гелін қалыптастыру арқылы қайта кристалданады. Бір уақытта ерітіндідегі CaO-ның Al2O3 -ке қатынасы 2-4-ке дейін артады және одан С2АН8 және C4AН14, сондай-ақ екі және төрт негізді кальций гидроалюминаттарының қатты ерітіндісі болып табылатын С3АН12 кристалданады. 1:3 құрамындағы Вольский құмы бар СА қоспаларында қатаюдың бастапқы кезеңінде гидратация өнімдері негізінен САН10, С2АН8 және бемит және ішінара гиббсит түрінде алюминий тотығы гидратымен ұсынылған. Бір кальцийлі алюминат баяу ұстасылады, бірақ қатаяды. [6] 1.3 Байланыстырғыш затты қолдану аясы Алюминий цемент қолданылады: - әр түрлі құрылыстарды жедел салу немесе жөндеу кезінде (уақытты жеңу өте маңызды болған кезде); - өнеркәсіптік құрылыстар мен көпірлердің жауапты темір-бетон конструкцияларын салу кезінде; - шахталарды салу және басқа да жерасты құрылысы кезінде; - жыныстардағы жарықтарды тампондау кезінде; - Қыздыру, күйдіру, термиялық және балқыту пештерін футерлеу үшін; - түрлі апаттық жағдайларда. Зауыттар мен құрылыс алаңдарында арнайы мақсаттағы темірбетон конструкцияларын жасау үшін алюминий цементін қолдану ұсынылады. Мұнда бұл цементтің артықшылығы бар, өнімдерді зауыттан шығарғаннан кейін бір күн ішінде шығаруға болады, ал оларды 12-16 сағаттан кейін кесуге болады. Сонымен қатар, портландцементті қолдану кезінде талап етілетін жылу-ылғал өңдеуді қажет етпейді. Глиноземді цемент теңіз, сульфат және басқа да минералданған сулардың әсеріне ұшырайтын темірбетон құрылыстарын дайындау үшін қолданылады (бұл цементті қышқыл және сілтілі ортада қолдануға жол берілмейді). Алюминий цементін қолдана отырып, жаппай құрылыстарды салу кезінде бетон массивінің ішінде 70°C және одан жоғары температура дамиды. Мұндай температурада қаттылық қалыптан тыс жүреді және конструкциялардағы бетонның беріктігі сыртқы қабаттарға қарағанда әлдеқайда төмен. Осыған байланысты қалыңдығы 1.0 метрден аспайтын құрылымдарда глиноземді цементті қолдану ұсынылады. Алюминий цементі отқа төзімді бұйымдарды (кірпіш, блоктар, плиталар) өндіруде өте қажет, олар 1300°C дейінгі температурада жұмыс істейтін әртүрлі жылу қондырғыларының төсемі болып табылады. Цемент шығыны неғұрлым жоғары болса, өнімнің беріктігі соғұрлым жоғары болады (класс). Алайда, цементтің шамадан тыс мөлшерімен отқа төзімділік азаяды. Термиялық кеңею коэффициенті артады. [7] 2 ШИКІ ЗАТТАР 2.1 Шикі заттарды таңдауды негіздеу мен олардың сипаттамасы Жоғары глиноземді цемент алу кезінде қымбат шикізат компоненті - техникалық глинозем қолданылады. Сондықтан ол ыстыққа төзімді материал ретінде арнайы мақсаттарда қолданылады. Жалпы құрылыс мақсаттары үшін техникалық глиноземге қарағанда арзан шикізат негізінде глинозем цементін өндіруді ұйымдастыру қажет. Алюминатты цемент клинкерлерін жағу кезінде минералды түзілу процестері бірқатар өзара байланысты факторлармен анықталады, олардың ішіндегі ең маңыздысы бастапқы шикізат табиғаты болып табылады. Бастапқы компоненттердің дисперсиясы, біртектілігі, тазалығы клинкерлердің фазалық құрамын қалыптастыру процесінде шикізат қоспаларының реактивтілігіне шешуші әсер етеді. Нәтижесінде цементтердің фазалық құрамы, құрылымы және қасиеттері көбінесе шикізаттың құрамына байланысты. Зерттеушілердің көпшілігі СаО-Al2O3 жүйесіндегі минералдың түзілу тізбегін қарастырады, ол тек жоғары глиноземді цементтерге қолданылады. Аз дәрежеде бастапқы шикізат компоненттерін синтездеу әдісімен алынған кезде күрделі минералогиялық құрамы бар глиноземді цементтердің құрылымын қалыптастыру процестері қарастырылды. Қоспалардың әсерін зерттеу көбінесе клинкер емес, жеке минералдардың пайда болуына жатады, ал олардың цемент қасиеттеріне теріс әсері байқалады. Алюминий түзетін шикізат арасында ең жоғары реактивтілікке ие: кальций гидроалюминаты және алюминий гидроксиді. Алайда шикізат базасының шектеулілігі алюминатты цементтерді алу үшін реактивтілігі төмен глиноземді материалдарды қолдануға мәжбүр етеді, бұл клинкерлерді күйдіру кезінде минералды түзілу процестеріне және нәтижесінде цементтердің қасиеттеріне теріс әсер етеді. Қазіргі уақытта өнеркәсіптік қалдықтарды пайдалану есебінен алюминатты цемент өндірісінің шикізат базасын кеңейтудің нақты мүмкіндіктері бар. Табиғи суды Al(SО4)3 және FeSО4 коагулянттарымен тазарту кезінде пайда болған шлам қалдықтары бұл тұрғыда өте перспективалы болып көрінеді, оларды қолдану алюминий клинкерлерін жағу кезінде шикізат қоспаларының реактивтілігін арттыруға және цементтердің қасиеттерін жақсартуға мүмкіндік береді. Жоғарыда айтылғандарға байланысты, осы жұмыстың мақсаты шлам-химиялық су тазарту қалдықтары негізінде алюминатты цементтерді алу болып табылады, оған қол жеткізу бір мезгілде екі маңызды мәселені шешуге мүмкіндік береді: экологиялық - өнеркәсіптік қалдықтарды кәдеге жарату және технологиялық - арнайы цемент өндірісінің шикізат базасын кеңейту. Жұмыста бастапқы шикізат ретінде химиялық тазарту және табиғи суды жұмсарту процестерінде пайда болған қалдықтар пайдаланылды. Мұндай шламдардың негізгі компоненттері адсорбцияланған қоспалармен (саз бөлшектері, ұсақ құм, карбонатты жыныстар, органикалық заттар) біріктірілген химиялық реагенттердің гидролизі өнімдері болып табылады. Табиғи суды тазартуға арналған химиялық реагенттер ретінде алюминий мен темірдің минералды тұздары кеңінен қолданылды, бұл шламдарда шламдардың қасиеттерін анықтайтын алюминий немесе темір гидроксидтерінің көп мөлшерін анықтайды. Осы жұмыста қолданылатын алюминий шламы алюминий сульфаты коагулянтын қолданған кезде табиғи суды тазартудың жанама өнімі болып табылады. Алюминий шламының химиялық құрамы су көзі мен жыл мезгіліне байланысты өзгеруі мүмкін. Шламның бастапқы ылғалдылығы 95-97%. Алюминатты цемент технологиясындағы шикізат материалдарына қойылатын талаптардың бірі SiО2 құрамы бойынша шектеу болып табылады-бұл кремнеземнің күйдіру процесінде СаО мен Al2O3 гидравликалық инертті қосылыс-геленитке байланыстырғандығына байланысты, соның салдарынан цементтің гидравликалық белсенділігі төмендейді. Осыған сүйене отырып, бұл жұмыста алюминий шламының екі үлгісі қолданылды - SiО2 құрамымен ерекшеленетін Мәскеудің Шығыс станциясының су тазарту қондырғысы. А-1 сынамасында кремнезем максималіне жақын мөлшерде, ал А-2 сынамасында шламның осы түрі үшін ең төменгі көрсеткішке жақын мөлшерде болады. Карбонатты-безді шлам(бұдан әрі-карбонатты шлам) FeSO4 және Ca(OH)2 химиялық реагенттері ретінде пайдаланылғанда табиғи суды ағарту және жұмсарту процесінде түзіледі. Карбонатты шлам-қалдық, алюминий шламы сияқты, қатты шлам компоненттерімен әр түрлі байланыста болатын ылғалдың көп мөлшерін қамтиды. Карбонатты тұнбаған шламның ылғалдылығы 90-95%. Бастапқы шламдар-химиялық су тазарту қалдықтары олардың пайда болу ерекшеліктеріне байланысты күрделі гель тәрізді көп компонентті жүйелер болып табылады. Бұл қалдықтардың ерекшелігі: жоғары (молекулалық деңгейде) дисперсия, бұл осы материалдарды шикізат компоненттері ретінде пайдалану кезінде олардың жоғары реактивтілігін көрсетеді. [8] Алюминий цементін өндірудің негізгі шикізаты ретінде бокситтер мен әктас қолданылады. Боксит - SiO2, Fe2O3, TiO2, CaO және MgO қоспалары бар алюминий гидроксиді. Байланысқан су мөлшері бойынша диаспораларға (Al2O3 – Н2О) және гидроаргиллиттерге (Al2O3 – ЗН2О) жақындаған бокситтер ажыратылады. Бокситтің тығыздығы темірдің құрамына байланысты 2800-3500 кг/м3 құрайды. Алюминий цементін өндіруге арналған бокситтердің жарамдылығы олардың кремний Модулінің мөлшері бойынша бағаланады, бұл Al2O3 құрамының SiO2-ге қатынасын білдіреді (массасы бойынша). Бұл көрсеткіш кем дегенде 5-6 болуы керек. Алюминий цементін өндіру үшін қолданылатын әктасқа SiO2 (1,5% дейін) және MgO (2% дейін) шектеулерінен басқа ерекше талаптар қойылмайды. Шикізатта кремнийдің болуы әсіресе жағымсыз, ол CaO және Al2O3 өзара әрекеттескен кезде C2AS геленитін құрайды. Кремнийдің әр пайызы үшін 4,5% геленит алынады. Геленит кристалды түрінде гидравликалық белсенділікке ие болмағандықтан, глиноземнің едәуір бөлігі инертті қосылыста байланысады. [4] 2.2 Алюминий цемент клинкерін алу үшін шикі заттар қоспасын есептеу Алюминий цементінің клинкері 1400-1500°C температурада электрлік немесе домна пештерінде брикеттер ерігенге дейін немесе 1200-1300°C температурада айналмалы пештерде пісірілгенге дейін зарядты жағу арқылы алынады. Электр пешінде алынған глинозем цементінің клинкері тиісті салқындағаннан кейін жоғары сұрыпты портландцементтерден кем емес дәрежеге дейін ұсақталады. Балқу әдісімен жасалған алюминий цементі - бұл шоколад түсті ұнтақ және балқытылған цементке қарағанда аз беріктікке ие. Балқытылған цемент қара сұр түске ие. Балқу немесе балқыту арқылы алынған глинозем цементінен айырмашылығы, домна пешінде алынған цемент домна пеші глинозем цементі деп аталады. Глинозем цементінің қасиеттері глинозем цементінің тән қасиеті оның механикалық беріктігінің, әсіресе қатаюдың бастапқы кезеңінде өте тез өсуі болып табылады. Болашақта бұл өсу портландцемент сияқты жүреді. Бір қызығы, алюминий цементінің беріктігінің өсуі тек күндермен ғана емес, сонымен қатар сағаттармен де есептеледі. [11]  Кесте 3. 1 тонна дайын өнімге шикізатқа қажеттілік
3 БАЙЛАНЫСТЫРҒЫШ ЗАТТЫ ӨНДІРУДІҢ ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ СХЕМАСЫ 3.1 Өндіру тәсілін таңдауды негіздеу және технологиялық схемасы Алюминий цементін өндірудің екі түбегейлі әр түрлі әдісі бар — шикіқұрамды балқыту және күйдіру. Сол немесе басқа әдісті таңдағанда бірқатар факторларды, ең алдымен, белгілі бір маркалы бокситтің химиялық құрамын, атап айтқанда ондағы кремний қышқылы мен темір оксидінің құрамын ескеру қажет. Эксперименттік зерттеулер негізінде күйдіру және балқу температуралары және олардың арасындағы интервал, сондай-ақ алынған балқыманың немесе клинкердің сапасы анықталады. Техникалық-экономикалық талдау осы жағдайларда өндірістің қай әдісі ұтымды екенін анықтауға мүмкіндік береді. Бұл жағдайда электр энергиясының болуы мен құны, кокстың сапасы және т. б. ескеріледі. Балқу. Глиноземді цементті су күрте пештерінде (сумен салқындатылған куполалар) балқыту арқылы алуға болады. Белгіленген жобалық қатынаста боксит, әктас және кокс пештің жоғарғы бөлігіне тиеледі. Рекуператорларда қыздырылған ауа қалыптар арқылы үрленеді; пештің түбінде 1773-1873К кезінде пайда болған балқыманы сорып алады; пеште балқытылған темір темірді бөлек шертеді. Осы пештер үшін оттегімен байытылған ауаны қолдану бойынша тәжірибелер жүргізілді. Олардың өнімділігі тәулігіне 50 тоннаға жетті, 1 тонна балқымаға 500 кг жуық отын шығыны. Бұл өндіріс кремний диоксидімен жоғары сапалы бокситті қажет етеді, өйткені кремнийді кремнийге дейін тотықсыздандыру бір уақытта кремнийлі темір немесе ферросиликон алу үшін жоғары температурада жүреді, оларды жасау қиын. Балқыманы (шлакты) арнайы қалыптарда салқындатады және ұсатқыштарда салқындатады, содан кейін көп камералы құбырлы диірмендерде ұсақтайды. Франция мен Англияда вертикалды түтікпен жабдықталған мартен пештері қолданылады, олар арқылы шикі шихта пешке түседі. Пештер ыстық отынмен ұнтақталған отынмен жұмыс істейді. Қож 1823-1873К өндіріледі. Өнімділік тәулігіне 70 тоннаға жетеді. Глиноземді цементті электрмен балқыту әдісі бар, оны қолданған кезде өнім кокс күлінің құрамындағы кремний қышқылымен ластанбайды, өйткені ферросиликон бір уақытта балқытылады. Негізінен айнымалы токта жұмыс істейтін доға пештерін қолдану тәжірибесі бар. Балқыту процесін күшейту үшін шикізат алдын-ала кептіріліп, ұсақталды және мұқият араластырылғаннан кейін брикеттелді немесе түйіршіктелді. Су мен көмірқышқыл газының шикізат зарядына тез түсуіне байланысты болатын шығарындыларды болдырмау үшін боксит алдын ала күйдіріліп, әктас күйдіріледі. Осындай электр пешінде жоғары температура болғандықтан, 2273К жетеді және шихтада коксты қолданады, шихтаның кремнезесі кремнийге дейін азаяды және метал темірімен әрекеттесу нәтижесінде ферросиликон түзіледі. Бұл әдістің кемшілігі - балқу температурасының жоғарылауымен жоғарылап, кальций карбидінің едәуір мөлшерінің түзілуіне байланысты кремнийдің қалпына келуінің шектеулі шегі. Құрама Штаттардағы глиноземді цемент айналмалы пеште партияны әлсіз күйдіру процесін монша пешінде кейіннен балқытумен біріктіру арқылы өндіріледі. Айналмалы пештерде балқу мүмкіндігі туралы пікірлер айтылады, бірақ бұл әдіс өндірісте қолданылмайды. Кеңес ғалымдары ойдағыдай ойлап тапқан шойын мен жоғары глиноземді қожды домнада балқыту әдісінің маңызы зор. Шетелде оны «Ресейдің глиноземді цемент өндірудің әдісі» деп атайды. Ресейде осы цемент өндірісін ұйымдастырудың алдында кең эксперименталды зерттеулер жүргізілді, бұл домна зарядының рационалды құрамын, балқыту жағдайларын, атап айтқанда балқытылған қожды салқындату режимін ұстасуға мүмкіндік берді. Алынған цементтің құрылысы мен техникалық қасиеттерін және оны өндіру мен пайдаланудың техникалық-экономикалық көрсеткіштерін зерттеу осы әдістің тиімділігі туралы куәландырды. Күйдіру. Біздің уақытымызда алюминий тотығының агломерация процесін зерттеуге үлкен көңіл бөлінді, өйткені температура салыстырмалы түрде төмен болғандықтан, әдетте шамамен 1473-1673К, оны өндірісте кеңінен қолданылатын қуыру қондырғыларында өткізуге болады. Тотығу және тотықсыздандыру күйдіру кезінде айналмалы және басқа пештерде күйдіру әдісі мұқият әрі терең зерттелген, бірақ бірқатар себептерге байланысты өндіріске енгізілмеген. Бұл, атап айтқанда, күйдіру және балқу температурасы арасындағы кішігірім аралық, бұл пеште сақиналар мен жиналулардың пайда болуына, сондай-ақ жоғары сапалы төмен кремнийлі және аз темірді бокситті қолдану қажеттілігіне әкеледі, металл алюминий өндірісіне қажет. Балқыманың (қождың) салқындату жылдамдығының маңызы өте зор, өйткені бұл оның кристалды құрылымына айтарлықтай әсер етеді, бұл көбінесе цементтің сапасына байланысты. Өздеріңіз білетіндей, ыстық балқымаларды тез салқындату (мысалы, домна пештерінің шлактары), олардың кристалдануын болдырмау үшін, әдетте, олардың гидравликалық белсенділігі едәуір артады - цементке қоспа ретінде, сонымен қатар өздігінен қатаю мүмкіндігі. Жоғары глинозем шыны тәрізді балқып, тез салқындатылады, сонымен қатар жоғары байланыстырушы қасиеттерге ие болады деп болжанған. Алайда, алюминий тотығы цементтеріне тән құрылыс және техникалық қасиеттер және ең алдымен жоғары беріктік тек біркелкі кристалданған, яғни баяу салқындатылған цементтерде көрінеді. Кальций алюминийінің шыны тәрізді фазасы өзінің жоғары белсенділігін толығымен жоғалтатыны анықталды. Тұтқыр қасиетке ие кальций алюминаттарының кристалды түзілімдері оларды жоғалтады деп болжауға болады. Егер олар әйнек күйінде болса. Толық және біркелкі кристалдану үшін жоғары глиноземді балқымалар (шлактар) баяу және біркелкі салқындаудан өтуі керек сияқты. Алайда, бұл әдіспен кальций алюминаттарымен бірге кальций гелениті де кристалданады - кристалды күйде инертті және гидравликалық белсенділікті тек шыны тәрізді фаза түрінде алатын қосылыс, сондықтан салқындатылған әдісті табу керек болды. Кальций алюминийлерінің кристалдануы кезінде гелениттің әйнек түрінде қатып қалуына жағдай жасайды. Оның физикалық-химиялық негізі келесідей CaO-Al2O3-SiO2 жүйесінде әдетте біздің елде өндірілетін глиноземды цементтің құрамдары орналасқан геленит тұрақтылығы өрісі бар. Мұндай балқымалардың тепе-теңдік кристалдануы, ең алдымен, гелениттің пайда болуына әкеледі. Содан кейін төмен температурада кальций алюминаттары қатты ерітінді түрінде де кристалданады. Сондықтан жылдам салқындатудың арқасында балқыманың температураның белгіленген шектерінен тез өтетін жағдайларды жасау ұсынылды. Бұл гелениттің кристалдануына және кальций алюминаттарының кристалдану температурасының төмендеуіне байланысты белсенді алюмосиликат шыны түзілуіне жол бермейді. Түйіршіктеу кезінде салқындату дәрежесі кальций алюминаттары шыны тәрізді фазаға өтпеуі үшін өте дәл болуы керек, бұл қолайсыз. Тәжірибе көрсеткендей, домна пешінен шығарылғаннан кейін біраз уақыттан соң балқыма су емес, бу-ауа түйіршіктенуі керек. Ол үшін түйіршіктеу қондырғысы домна пешінің саңылауынан біраз қашықтықта орналастырылды. Осы әдіспен алюминий тотығы цементінің сапасын едәуір жақсартуға, ондағы SiO2 мөлшерін 11 - 13% -ға дейін жеткізуге мүмкіндік туды. Алынған шлактарды микроскоппен зерттеу нәтижесінде алынған мөлшері 20 - 30 мм түйіршіктердің беті әйнектен тұрады, ал олардың құрамында жақсы кристалданған кальций алюминаттары және кальций моно алюминаты мен екі кальцийлі силикат эвтектикалық өсінділері бар. Жылдам салқындатылатын қождың ұнтақталу қабілеті күрт жақсарады және сәйкесінше цемент диірмендерінің өнімділігі артады. Тәжірибелік цементтерді сынау олардың мықтылығы баяу салқындату балқымаларынан алынған цементтердің беріктігімен салыстырғанда шамамен 1,5-2 есе өсетіндігін көрсетті. Осы курстық жобада алюминий цементін өндіру үшін электр доғалық пештерін қолданатын күйдіру әдісі таңдалды. Бұл әдіс жоғары өнімділікпен, отынға қажеттіліксіз, жоғары экологиялық тазалықпен сипатталады, бірақ оған электр энергиясының көп мөлшері қажет. [9]        Қоспалар Газ отыны Боксит Әктас  Өндіру Өндіру Сұрыптау Сұрыптау  Кептіру Жақ ұсатқыштарда ұсақтау  Ұсақтау   Айналмалы пештерде күйдіру  Салқындату  Бу-ауа түйіршіктері Ұнтақтау Схема-1. Күйдіру әдісімен глиноземді цемент өндірудің технологиялық схемасы |